具有自適應(yīng)電感共享策略的壓電能量收集電路設(shè)計與實現(xiàn)

電池的廣泛使用制約著傳感設(shè)備快速發(fā)展,尤其是在使用頻繁且不易更換電池的環(huán)境中,例如火電廠的熱交換廠房的環(huán)境溫度監(jiān)測傳感器、高壓電網(wǎng)變電站中變壓器振動傳感設(shè)備、寫字樓中的環(huán)境傳感節(jié)點、體內(nèi)植入式醫(yī)療裝置等。在這些應(yīng)用中,電池是主要的能量供給方式。然而,無論選用多大容量的電池,由于電池壽命的限制以及自身電能的逐漸耗盡,最終這些設(shè)備均會因供電不足而失效

。如果能通過收集環(huán)境中的各種能量,并通過換能器將其轉(zhuǎn)換為電能,為電子設(shè)備進行自供電,從而避免電池的使用,并大幅提升設(shè)備的使用壽命,則有望解決這類應(yīng)用場景中因使用電池而帶來的供電問題

,并且對傳統(tǒng)植入式醫(yī)療裝置中無線通信電路功耗高、面積大、通信距離短的問題也有極大改善作用

。此外,在各種各樣的環(huán)境能量中,壓電振動能量較為常見,能量密度較高且對應(yīng)的能量收集裝置體積較小。因此,針對壓電振動能量收集系統(tǒng)的研究成為了國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的熱點。

國外學(xué)者針對該領(lǐng)域的研究起步較早,首個壓電振動能量收集的接口電路于2002年由Ottman等

提出,該接口電路采用了基本的無源全橋整流結(jié)構(gòu),被稱為壓電振動的標(biāo)準(zhǔn)能量收集(standard energy harvesting,SEH)結(jié)構(gòu);該接口電路通過對壓電換能器的交變電流進行整流、并用超級電容來儲存能量,實現(xiàn)了從振動到電能完整轉(zhuǎn)換和收集過程,無需外部電源,足以滿足許多電子系統(tǒng)的電力需求。為優(yōu)化能量收集的效率,2005年Guyomar

提出了一種可應(yīng)用在壓電振動能量收集電路中的非線性技術(shù),即并聯(lián)電感同步開關(guān)收集技術(shù)(parallel-synchronized switch harvesting inductor,P-SSHI);該技術(shù)利用并聯(lián)電感構(gòu)成諧振電路,在壓電換能器的電流過零點時對內(nèi)部電容上存儲的電荷進行翻轉(zhuǎn),從而避免了電荷的抵消,因此,輸出功率大幅提升。2006年法國里昂大學(xué)的Lefeuvre等

提出了同步電荷提取技術(shù)(synchronous electrical charge extraction,SECE)和串聯(lián)電感同步開關(guān)收集技術(shù)(series-synchronized switch harvesting inductor,S-SSHI),實現(xiàn)了不錯的性能指標(biāo)。2010年,Ramadass等

基于P-SSHI技術(shù)設(shè)計實現(xiàn)了一款高效率壓電振動能量收集芯片,該芯片采用標(biāo)準(zhǔn)0.35 μm CMOS工藝設(shè)計,相較傳統(tǒng)SEH結(jié)構(gòu),輸出功率提升約4倍。2011年Krihely等

提出了一種改進的P-SSHI方案,該改進方案通過諧振電路實現(xiàn),在恒定諧波激勵下,輸出功率為SHE結(jié)構(gòu)的2.3倍,因此該系統(tǒng)作為可變勵磁驅(qū)動的自供電系統(tǒng)可行性很高。2017年Du等

提出了一種基于電容同步開關(guān)收集技術(shù)(synchronized switch harvesting capacitor,SSHC),通過采用開關(guān)電容陣列,實現(xiàn)了對壓電換能器內(nèi)部電容上電荷的翻轉(zhuǎn),并避免使用電感。國內(nèi)學(xué)者在該領(lǐng)域研究較少,主要集中在新結(jié)構(gòu)、單芯片實現(xiàn)及新興領(lǐng)域應(yīng)用等方面

。

本文基于P-SSHI結(jié)構(gòu)提出了一種電感共享結(jié)構(gòu)的壓電振動能量收集系統(tǒng)架構(gòu),該電感共享策略采用“先到先得”的設(shè)計思想,并優(yōu)化了bias-flip結(jié)構(gòu)整流器,再結(jié)合buck-boost變換器結(jié)構(gòu),進一步實現(xiàn)了最大功率點追蹤策略,最終完成了壓電振動能量收集電路的設(shè)計。

剛剛結(jié)束的11月香港國際美酒展，行業(yè)高峰論壇《酒進亞洲葡萄酒市場新時代的無限機遇》上，Debra Meiburg和Sarah Heller兩位葡萄酒大師掛帥，香港貿(mào)發(fā)局、歐睿國際（調(diào)研機構(gòu)）和京東助陣，南非、香檳和香港的連鎖酒業(yè)公司，甚至拍賣行也上臺分享，沒有TWE也沒有澳洲酒方面的代表，但無論是臺上嘉賓的分享，還是臺下聽眾的提問，都數(shù)度提到了Treasury Wine Estates（富邑集團，業(yè)內(nèi)簡稱TWE）這家公司，嘉賓分享他們的案例，聽眾向嘉賓求解讀：TWE何以如此成功？

1 壓電能量收集系統(tǒng)原理

1.1 壓電能量收集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

提出的壓電能量收集系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。壓電換能器輸出的交流電經(jīng)過bias-flip整流器后被轉(zhuǎn)換為直流電初步存儲在節(jié)點

的濾波電容上;

節(jié)點作為buck-boost變換器的輸入,將能量進一步儲存在輸出節(jié)點

的存儲電容上,為后續(xù)負(fù)載供能;同時,為保證能量收集芯片的正常工作,

節(jié)點又作為芯片內(nèi)部控制電路的電源,以確保電壓基準(zhǔn)、電流偏置

、振蕩器等模塊的正常工作。

此外,在bias-flip整流器和buck-boost變換器的設(shè)計實現(xiàn)中,采用“先到先得”的自適應(yīng)電感共享控制策略,實現(xiàn)這兩模塊對電感的共享使用。

長嘆一口氣，卻又無可奈何。再把手搭上云夢的肩膀，竟然感覺不到絲毫的滿足。誰說久別勝新婚更多只是心理上的需要？呼倫心中暗想，明明是生理上的渴求嘛。兩個久旱之人躺在床上一動不動，還談什么勝新婚？連太監(jiān)都不如?。?/p>

1.2 bias-flip整流器原理

本文基于P-SSHI技術(shù)設(shè)計了bias-flip整流器,實現(xiàn)了對壓電換能器輸出的高效率整流,整流器的原理和工作過程示意波形如圖2所示。

該bias-flip整流器結(jié)構(gòu)是在全橋整流器基礎(chǔ)上,增加了一個同步開關(guān)控制的并聯(lián)電感,通過在壓電換能器輸出電流過零點時開啟電感同步開關(guān),利用電阻-電感-電容(resistance-inductance-capacitance,RLC)諧振回路實現(xiàn)對壓電換能器內(nèi)部電容上電荷的翻轉(zhuǎn),避免了電荷損失,提升了輸出功率。經(jīng)推導(dǎo),其整流輸出功率表達(dá)式

為

(1)

由式(3)和(5)可知,在整流器輸出功率最大處,變換器的最優(yōu)工作頻率表達(dá)式為

上述的研究結(jié)果以及牧羊有限公司的實踐結(jié)果都表明了：在生產(chǎn)膨化沉性料的時候，增強調(diào)質(zhì)效果能夠帶來比增加膨化機的剪切程度更好的飼料水中穩(wěn)定性。如果從淀粉糊化的角度來思考該結(jié)論，或許能夠得到一些合理的解釋。

原水中鐵、錳普遍超標(biāo)，濁度、色度、CODMn、氨氮季節(jié)性超標(biāo)，水質(zhì)口感較差，且有逐年升高的趨勢。采用單一工藝難以有效去除水中污染物，必須遴選合理的處理工藝。

=1

(1-e

-

+π

)

(2)

通常情況下

趨近于0,

趨近于1,

?1,因此

大于1

。由此可知bias-flip整流器的最大輸出功率及此時

的取值

可被簡化為

=2

(

-

)

(3)

=

-

(4)

1.3 buck-boost變換器原理

阻抗匹配變換器單元采用如圖3所示的脈沖頻率調(diào)制(pulse frequency modulation,PFM)buck-boost變換器結(jié)構(gòu)

,并將輸出的能量進行儲存。在圖3中將電感的左右兩側(cè)節(jié)點分別定義為

和

節(jié)點,左側(cè)節(jié)點電壓為

,與左側(cè)節(jié)點相連的NMOS和PMOS分別定義為MN

和MP

;右側(cè)節(jié)點電壓為

,與右側(cè)節(jié)點相連的NMOS和PMOS分別定義為MN

和MP

。

該電路通過控制電感兩側(cè)的4個同步開關(guān)(MP

、MN

和MP

、MN

)依次兩兩導(dǎo)通,實現(xiàn)能量從濾波電容

到電感

、再到存儲電容

的轉(zhuǎn)移。經(jīng)推導(dǎo),變換器的傳輸功率為

目前調(diào)研我省大部分高職院校都已開展校企合作教學(xué)模式，企業(yè)將項目帶進傳統(tǒng)課堂，讓學(xué)生在項目中學(xué)習(xí)是校企合作主要核心。以STEAM教育為背景的創(chuàng)客教育模式是校企合作項目教學(xué)的一種延伸，將項目教學(xué)與資源整合相結(jié)合，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)主動性，是最大程度挖掘?qū)W生創(chuàng)造力的一種新型教學(xué)模式。創(chuàng)客教育模式如圖1：

(5)

式中:

為

信號的脈寬;

為環(huán)形振蕩器輸出信號的頻率,即變換器的工作頻率。

1.4 最大功率點追蹤策略原理

本文采用動態(tài)追蹤的阻抗匹配最大功率點追蹤(maximum power point tracking,MPPT)策略,通過變換器與整流器部分的阻抗匹配實現(xiàn)能量傳輸功率的最大化,原理如圖4所示。當(dāng)初始點位于最大功率的右半邊時,隨著

的增加,

和

減小,

逐漸增加到峰值

;當(dāng)功率進入左半邊時,隨著

的持續(xù)增加,

和

進一步減小,

開始下降并逐漸到0。

本文對設(shè)計的buck-boost變換器分別在電感共享與非電感共享條件下,改變其工作頻率,仿真了輸出功率

與輸出電壓

的關(guān)系,結(jié)果如圖9所示。其中壓電換能器開路電壓為

=3 V。

(6)

2 電感共享策略

2.1 電感共享簡述

電感作為一種外圍器件,在電路集成時會占用可觀的芯片或印制電路板(printed circuit board,PCB)面積,不利于未來微型化的發(fā)展要求。同時,考慮到整流器和變換器兩模塊在工作時對電感的占用率均不高,因此可以通過設(shè)計相應(yīng)的控制邏輯,使得兩模塊共用同一個電感。

通過引入等效品質(zhì)因數(shù)

,可同時概括RLC系統(tǒng)原品質(zhì)因數(shù)和壓電換能器模型品質(zhì)因數(shù)

產(chǎn)生的影響,記做

近年來提出的電感共享策略大多采用鎖存器結(jié)構(gòu)來構(gòu)造仲裁器實現(xiàn)所需的功能

,本文在已有方法的基礎(chǔ)上,提出了一種基于“先到先得”的自適應(yīng)電感共享策略。該策略通過判定整流器和變換器中電感使用信號的先后順序,使能先進入工作狀態(tài)的模塊暫時復(fù)位另一模塊,直至使能模塊對電感的使用結(jié)束,復(fù)位結(jié)束,兩模塊再次進入待命狀態(tài),避免使用電感時產(chǎn)生競爭。與傳統(tǒng)鎖存結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的電感共享策略相比,本文采用的方法更為簡潔,即直接通過異步組合邏輯電路來實現(xiàn)正確的功能,減少了鎖存器結(jié)構(gòu)與相關(guān)電路造成的額外面積占用;此外,控制電路的功耗也得以降低;與此同時,作為最優(yōu)解的“先到先得”策略,該方法響應(yīng)速度最快,因此將額外的電荷損失控制在最低水平。

通過使用標(biāo)準(zhǔn)180 nm CMOS工藝,完成了電路的搭建和仿真,參數(shù)設(shè)置如下:壓電換能器參數(shù)為

=30 nF,

=600 kΩ,

=200 Hz,電感

=820 μH。仿真結(jié)果與分析如下。

2.2 電感共享原理實現(xiàn)

本文提出的電感共享策略如圖5所示。對于時序示意圖5(b),在整流器獲取電感使用權(quán)時,利用整流器中的

信號和變換器中的

信號,通過控制器1產(chǎn)生新的

使能信號,暫時復(fù)位變換器中的環(huán)形振蕩器,使得變換器在整流器使用電感期間,無法獲得

信號的下降沿來觸發(fā)

和

信號,完成對變換器的復(fù)位。對于時序波形示意圖5(c),在變換器獲取電感使用權(quán)時,利用變換器中的

信號和整流器中的

信號,通過控制器2產(chǎn)生新的

寬脈沖信號,復(fù)位了

信號與

信號的交疊部分,使得整流器在變換器使用電感期間,觸發(fā)

脈沖發(fā)生器的上升沿向后推遲,從而完成對整流器的復(fù)位。

2.3 電感共享存在的問題及解決方案

本文設(shè)計的電感共享策略實現(xiàn)了單電感的整流器和變換器共享使用,提升了系統(tǒng)集成度。相對于已有的電感共享技術(shù)而言,提出的策略在原理和實現(xiàn)上更加簡潔。與此同時,由于電感共享策略的引入,在電路設(shè)計與實現(xiàn)中又存在3個方面的挑戰(zhàn)。

2.3.1 電感兩端互連漏電引起邏輯錯誤的分析

2.3.2 bias-flip整流器在翻轉(zhuǎn)壓電換能器電容

總之，迪士尼樂園與色彩豐富的美國西海岸攝影藝術(shù)都曾在斯各格蘭德身上打下印記。同時出現(xiàn)在其作品中的，還有美國恐怖電影的痕跡，以及美國中產(chǎn)階級的焦慮——斯各格蘭德擅長以諷刺手法來表現(xiàn)這一點。她的作品中顯然飄蕩著一種城郊居民的憂郁氣息。她承認(rèn)對平庸充滿興趣，“我自己也出身于中產(chǎn)階級，從品味來看，我的階層正是我做出許多選擇的根源?！?/p>

本文采用如圖2(a)所示的體端低電壓自適應(yīng)選擇電路

,通過動態(tài)選擇較低電壓來為整流器中與

和

節(jié)點相連的開關(guān)NMOS做體偏置,從而消除了體二極管漏電。電路實際工作中,在整流器使用電感時,依然會在壓電換能器電容上電荷翻轉(zhuǎn)時,通過變換器中開關(guān)管的體二極管造成少量的漏電,但是由于損失電荷比例較低,且漏電電流最終進入

和

,造成的負(fù)面影響可以忽略不計。

整流器和變換器中,由于兩模塊均連接在電感兩側(cè)的

和

節(jié)點,與

和

節(jié)點相連的金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)會在兩模塊中某一模塊使用電感時造成MOSFET體二極管導(dǎo)通漏電現(xiàn)象,干擾兩模塊的工作狀態(tài),并導(dǎo)致邏輯錯誤。由于整流器工作時的電流流向不定,會造成

和

節(jié)點始終有一端存在負(fù)電壓,無論將MOSFET體端接源漏端或者接地處理,均會導(dǎo)致某些工作狀態(tài)下存在漏電;而對于變換器,在開關(guān)管交替時的不交疊時間段,需要利用MOSFET體二極管進行續(xù)流,因此無法通過體端連接的方式消除體二極管導(dǎo)通漏電。

兩端電荷時的負(fù)電壓過沖現(xiàn)象雖然漏電造成電荷損失的影響幾乎可以忽略,但是由于壓電換能器電容上電荷翻轉(zhuǎn)時電壓節(jié)點(

和

)的浮空,從而產(chǎn)生正電壓向負(fù)電壓翻轉(zhuǎn)后的值比翻轉(zhuǎn)前負(fù)電壓值更低的過沖現(xiàn)象,使負(fù)電壓比較器的結(jié)果產(chǎn)生非理想抖動,造成

脈沖提前結(jié)束,并且會產(chǎn)生一個或多個緊隨其后的多重脈沖,如圖6(a)所示。該多重脈沖的存在有可能造成系統(tǒng)無法正常工作,并且還會造成額外的電荷損失,影響能量收集效率。

為確保壓電能量收集系統(tǒng)的正常且高效工作,設(shè)計了合適的修正電路,并給出了如圖6(b)所示的

信號多重脈沖及其修正后仿真波形的對比。修正電路的設(shè)計思想和工作原理如下:利用負(fù)電壓比較器的輸出信號下降沿來產(chǎn)生一個寬脈沖信號,該寬脈沖信號被用來屏蔽另一個負(fù)電壓比較器的錯誤輸出信號,進而消除該非理想現(xiàn)象。加入修正電路后的仿真結(jié)果如圖6(c)所示。仿真結(jié)果表明,經(jīng)過修正后的電感開關(guān)驅(qū)動信號

以及

和

信號工作波形正常且符合預(yù)期,非理想現(xiàn)象被完全消除。

2.3.3 電感共享策略下因變換器工作造成整流器延遲工作帶來的電荷損失分析

由于本文設(shè)計的壓電振動能量收集系統(tǒng)采用了電感共享來減少電感器件,這必然會出現(xiàn)整流器和變換器同時使用電感的情況。基于“先到先得”的自適應(yīng)電感共享策略,當(dāng)變換器在使用電感時,若整流器也需要使用電感,則控制電路會推遲整流器使用電感的時間,直至變換器結(jié)束對電感的使用。該延時必然會導(dǎo)致bias-flip整流器錯過最佳翻轉(zhuǎn)電荷的時間,造成如圖7所示的壓電換能器內(nèi)部寄生電容上電荷的損失。

(7)

由式(7)可知,雖然延遲造成了多達(dá)5倍的電荷損失,但是電荷損失比之差

=

-

=0.014 4%依然是非常小的值。綜上所述,在電感共享策略下,因變換器工作造成整流器延遲工作帶來的電荷損失所占電容電荷比例微乎其微,可忽略不計。

3 仿真結(jié)果與分析

對相應(yīng)的研究過程進行檢驗發(fā)現(xiàn)，結(jié)果顯示符合構(gòu)建模型的要求，此外，利用A-MOS17.0將理論轉(zhuǎn)化為具體的結(jié)構(gòu)模型。通過該種方式進行產(chǎn)業(yè)扶貧影響的探究，看扶貧參與人員是否對產(chǎn)業(yè)扶貧有間接的影響。

圖1所示的欠驅(qū)動夾持器的工作模式可以分為兩點夾持與包絡(luò)抓取。兩點夾持是指只使用桿5抓取物體，并且當(dāng)遠(yuǎn)指節(jié)接觸到物體時，通過添加限位銷來限制驅(qū)動桿1與推動桿2夾角減小的趨勢，從而保證夾持穩(wěn)定性。包絡(luò)夾持分為4步：1)初始狀態(tài)時，運動桿4向物體靠近；2)運動桿4接觸到物體時，產(chǎn)生約束作用；3)驅(qū)動桿1繼續(xù)推動桿2，彈簧被拉伸；4)桿5完全與物體接觸，實現(xiàn)包絡(luò)整個物體的夾持動作。

3.1 bias-flip整流器仿真與分析

在不同開路電壓和負(fù)載下,對設(shè)計的bias-flip整流器和傳統(tǒng)全橋整流器進行了仿真,獲得了如圖8所示的輸出功率

與輸出電壓

之間的關(guān)系。

從圖8中可以看出,整流器輸出功率隨

的增加先升高后下降。其中,對于同類型的整流器,開路電壓

越大則輸出功率越高;在相同的開路電壓

條件下,bias-flip整流器的輸出功率較全橋整流器有著顯著提升。bias-flip整流器分別在2 V和3 V開路電壓激勵下,輸出功率分別達(dá)到了55.01 μW和111.59 μW,較相同開路電壓激勵下傳統(tǒng)全橋整流器所達(dá)到的8.60 μW和24.90 μW輸出功率,分別實現(xiàn)了55.01 μW/8.60 μW=6.40倍和111.59 μW/24.90 μW=4.48倍的功率提升比,整流器仿真結(jié)果如表1所示。

3.2 buck-boost變換器仿真與分析

南部幫浦東段礦區(qū)發(fā)現(xiàn)的F1、F2，走向近EW，F(xiàn)1、F2是熱液充填型高品位鉛鋅礦體的主要賦存部位，F(xiàn)11、F12及F13則是產(chǎn)于巖體內(nèi)的次級斷裂。北部笛給礦區(qū)總體構(gòu)造格架為一系列的向南倒轉(zhuǎn)的復(fù)式背向斜組合，背斜主要構(gòu)造線走向近EW，向斜相對開闊舒展而背斜往往緊閉，巖層產(chǎn)狀多陡傾。其中礦區(qū)中部發(fā)育一條背斜，走向近EW向，貫穿于整個礦區(qū)，核部地層為典中組凝灰?guī)r，兩翼巖層傾角均呈陡傾狀，區(qū)內(nèi)復(fù)式向斜南部和北部有多個由古近系典中組火山巖組成的較大的向斜盆地構(gòu)造，中間為由二疊系旁那組片巖組成的次級背斜。鉛鋅礦體產(chǎn)于南部兩個較大的倒轉(zhuǎn)向斜盆地南翼凝灰?guī)r中近EW向斷裂中。

本著持續(xù)改善的原則，還應(yīng)從課程內(nèi)容更新、考核內(nèi)容與考核方法等方面入手，使該課程逐漸形成系統(tǒng)、柔性、完善的多元化教學(xué)體系。

在非電感共享策略下,變換器最大輸出功率同樣在

接近3.3 V處取得,其值為101.95 μW,對應(yīng)變換器工作的最優(yōu)頻率為672 Hz;該點處變換器功率轉(zhuǎn)換效率

高達(dá)91%。在電感共享策略下,變換器的輸出功率有所提升,其中在

為3.2 V附近時取得最大值,最大輸出功率為110.04 μW,此時對應(yīng)的變換器工作最優(yōu)頻率為715 Hz,功率轉(zhuǎn)換效率幾乎不變。

此外,在輸入源參數(shù)不變的條件下,相比于非電感共享策略,電感共享條件下變換器的峰值輸出功率提升了7.9%。這是因為電感共享條件下,整流器使用電感時,存在經(jīng)變換器的功率PMOS管體二極管向

微弱放電現(xiàn)象,導(dǎo)致實際變換器的輸出功率進一步增加。

3.3 壓電能量收集系統(tǒng)仿真與分析

和

設(shè)定為10 μF,輸入激勵對應(yīng)開路電壓

=3 V,振蕩器電容

設(shè)為15 pF,對應(yīng)變換器工作頻率為491 Hz。壓電能量收集系統(tǒng)瞬態(tài)仿真結(jié)果如圖10所示。

從圖10可以看出,在1.63 s時間內(nèi),輸出電壓

從0升高至超過設(shè)定的3 V,完成整體電路對輸出電容的充電過程。在841 ms時

達(dá)到942 mV,此時輸出電壓能夠正常驅(qū)動MP

管,MP

管從續(xù)流模式進入到同步整流模式,同時針對該PMOS管的零電流檢測(zero current detection,ZCD)電路也進入正常工作模式,如圖10中小圖(2)所示;當(dāng)

達(dá)到3 V后,變換器輸出電壓達(dá)到預(yù)設(shè)值,使能信號復(fù)位,變換器停止工作,如圖10中小圖(4)所示,但是由于電感共享節(jié)點的額外放電,

在此后一段時間仍會緩慢增加。

由于自適應(yīng)電感共享策略為“先到先得”,必然會存在整流器和變換器共同競爭使用電感的情況,如圖10中的小圖(1)和(3)所示,在746.7 ms處,整流器先于變換器獲得電感使用權(quán);在1.34 s處,變換器先于整流器獲得電感使用權(quán)。綜上所述,電感共享策略成功解決了電感的競爭問題。

1.2.2 培訓(xùn)方法 我院臨床技能培訓(xùn)中心采用兒童仿真模型模擬臨床環(huán)境對學(xué)員進行培訓(xùn)，內(nèi)容包括理論及技能操作培訓(xùn)，形式為教師講解、視頻演示、邊看邊做、實戰(zhàn)演練等。

3.4 設(shè)計思考

壓電能量收集系統(tǒng)能夠?qū)C械能轉(zhuǎn)換為電能,在壓電換能器參數(shù)固定的條件下,性能優(yōu)越的壓電能量收集系統(tǒng)能夠獲得更高的輸出功率。若不考慮變換器的能量轉(zhuǎn)換損失,則壓電能量收集系統(tǒng)的性能主要由整流電路的結(jié)構(gòu)決定。整流器的輸出功率越高,則壓電能量收集系統(tǒng)的性能也越好。

本文采用的bias-flip整流器通過RLC諧振回路進行壓電換能器寄生電容上電荷的翻轉(zhuǎn),避免了絕大部分電荷的抵消,考慮到壓電換能器等效模型中電源類型為正弦電流源,而它在每半個周期提供的電荷總量一定,因此在

電壓一定的條件下,通過優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)減少控制邏輯單元消耗的電荷量,可以有效地提升整流器的輸出功率?；诖?所設(shè)計的bias-flip整流器中,仍然采用了4個無源二極管而非比較器加MOSFET結(jié)構(gòu)的有源開關(guān)來實現(xiàn)整流,也正是考慮到了這個原因。

通過進一步地仿真對比分析發(fā)現(xiàn),在保持壓電源參數(shù)不變的條件下,采用無源整流方式的bias-flip整流器在

節(jié)點可得到111.59 μW的輸出功率;而采用有源整流方式以后,雖然整流器自身效率得以大幅提升,但是在

節(jié)點只得到了103.33 μW的輸出功率。這是因為有源整流相對于無源整流,在

電壓相同的條件下,降低了壓電換能器兩端電壓峰值,使壓電換能器對應(yīng)的輸出功率減小,并在一定程度上減少了因壓電換能器內(nèi)阻以及電荷翻轉(zhuǎn)而損失的電荷;與此同時,有源結(jié)構(gòu)的控制邏輯電路又需要消耗更多的電荷。因此,在有源整流替換無源整流結(jié)構(gòu)以后,導(dǎo)致bias-flip整流器擁有更高的整流效率和更低的輸出功率。

情境是指用于表征與交互環(huán)境相關(guān)的實體狀態(tài)的信息集合，它包括空間、時間、物理環(huán)境狀態(tài)、人的情緒、心理狀態(tài)及相互關(guān)系等。

4 結(jié) 論

本文面向自供能設(shè)備的應(yīng)用,提出了一種具有自適應(yīng)電感共享策略的超低功耗壓電振動能量收集系統(tǒng),并通過采用標(biāo)準(zhǔn)180 nm CMOS工藝,完成了壓電能量收集系統(tǒng)的設(shè)計工作。仿真結(jié)果表明,bias-flip整流器分別在2 V和3 V開路電壓激勵下,輸出功率分別達(dá)到了55.01 μW和111.59 μW,較傳統(tǒng)全橋整流器,分別實現(xiàn)了6.40倍和4.48倍的輸出功率提升。引入電感共享策略后,變換器的最大輸出功率可達(dá)110.04 μW,相比于非電感共享策略,電感共享策略下變換器峰值輸出功率提升了7.9%。與傳統(tǒng)整流結(jié)構(gòu)能量收集系統(tǒng)相比,本文提出的新架構(gòu)體現(xiàn)出極大的優(yōu)越性,在自獲能無線傳感場景下具有廣泛的應(yīng)用前景。

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